wenn kein Molekülmodell zu sehen ist:
http://www.biologie.uni-hamburg.de/
lehre/bza/kanal/transp/rhod/2brdsm.htm

Bacteriorhodopsin

aus Halobacterium halobium

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Bakterienrhodopsin (bR) ist eine Protonenpumpe aus der Cytoplasmamembran von Purpurbakterien. Die hier vorgestellten Daten stammen aus einer Reihe verschiedener Experimente, u.a. der Analyse zweidimensionaler und dreidimensionaler Kristalle. bR wird als Protein von 262 Aminosäuren synthetisiert, von denen ein Propeptid von 13 Aminosäuren abgespaltet wird. In dem in die Membran integrierten Protein konnte für die Aminosäuren 7 - 227 ein Modell der Atomkoordinaten erstellt werden.

bR ist ein primäres Transportsystem, Lichtenergie der Wellenlänge 568 nm wird für die Beförderung von Protonen gegen einen Konzentrationsgradienten benutzt. Sowohl der Kofaktor Retinal als auch das Protein erfahren bei der Reaktion Konformationsänderungen, die sich u.a. in unterschiedlichen Absorptionsmaxima des Komplexes äußern. Die Zwischenstufen im Reaktionszyklus sind:

Die hier benutzten Datenbank-Atomkoordinaten beschreiben nur den Grundzustand bR₅₆₈.

Die Aminosäurekette des bR ist zu sieben transmembran-Helices gefaltet, wobei das Aminoende in das Periplasma ragt und das Carboxyende in das Cytoplasma .

A -

B -

C -

D -

E -

F -

NH₂ - bR - COOH

Ansicht aus Richtung Periplasma

Die Helices B, C und F enthalten je ein (phylogentisch konserviertes) Prolin , wodurch jeweils das intrahelicale Wasserstoffbrücken-Netz unterbrochen wird. Der Carbonylsauerstoff von Thr46 ist so frei für Wasserstoffbrücken zu Wasser im Protonentransport. Helix C hat an Pro91 einen deutlichen Knick, was zu einer dichteren Packung der Helices zu beiden Seiten des Retinals führt (Maus zum Drehen gebrauchen!).

Das Protein enthält eine Reihe von "Hohlräumen", die aufgrund des Volumens ein oder mehrere Wassermoleküle aufnehmen können. Solche Wassermoleküle werden teilweise für Wasserstoffbrücken zu dem zu transprtierenden Proton gebraucht. In den folgenden Bildern sind die die Hohlräume umschließenden Aminosäuren hellblau und die Positionen der Wassermoleküle dunkelblau angedeutet.

klick! # H₂O

I 1

II 1

III 7

IV 1

V 3-4

VI 1

VII 1

VIII 1

IX 1

X 1-2

XI 1

XII 2

Das Retinal ist in Form einer Schiff'schen Base an Lys216 gebunden . Der erste Reaktionsschritt des Photozyclus ist die Isomerisierung des Kofaktors von der all-trans-Form in die 13-cis-Form:

Dieses ist der Übergang zu J₆₁₀, der innerhalb von Nanosekunden unter Energieabgabe in K₅₉₀ übergeht. Eine Mikrosekunde später wird der Zustand L₅₅₀ erreicht, aus dem der erste Protonen-Transfer initiiert wird.
Im Grundzustand des Proteins sind sowohl der Stickstoff der Schiff'schen Base als auch Asp85 ionisiert

. Dieses Zwitterionenpaar wird durch Wasserstoffbrücken stabilisiert: Ein Wassermolekül bildet Brücken zu beiden ionisierten Gruppen, ein weiteres Wassermolekül bildet ebenfalls eine Brücke zum Carboxylsauerstoff in Asp85, der andere Sauerstoff der Carboxylgruppe bildet eine Brücke zur Hydroxylgruppe von Thr89

. Die Isomerisierung des Retinals bewirkt im Protein eine Konformationsänderung, die das Wasserstoffbrückennetzwerk an dieser Stelle unterbricht und weiter bis zu Asp96

ändert. In diesem Moment kann ein Proton von der Schiff'schen Base auf die Carboxylgruppe von Asp85 übergehen (M₄₁₂, im 100-Mikrosekunden-Bereich). Aus Experimenten mit Mutanten ist zu folgern, daß an dem weiteren Transport des Protons die Aminosäuren Tyr57, Arg82, Glu194 und Glu204 beteiligt sind

. Die Freisetzung des Protons auf der extrazellulären Seite der Membran erfolgt höchstwahrscheinlich über ein gebundenes Wassermolekül. Die Freisetzung erfolgt in einer Kettenreaktion etwa zeitgleich mit der Protonierung von Asp85.

Der nächste Schritt ist die Reprotonierung der Schiff'schen Base, während das Retinal noch in der cis-Konformation ist (N₅₂₀). Der Donor ist Asp96 . Asp96 liegt in einem Käfig aus hydrophoben Aminosäuren , was einen direkten Übergang des Protons verhindert. Aus anderen Untersuchungen ist bekannt, daß das Protein in dieser Zwischenstufe eine geänderte Konformation auf der cytoplasmatischen Seite hat. So können Wassermoleküle in den Kanal zwischen den Helices eindringen. Über die dann möglichen Wassestoffbrücken kann das Proton zu Lys216 gelangen. Zustand O₆₄₀ wird durch Reprotonierung von Asp96 und Isomerisierung des Retinals in die all-trans-Form erreicht (erleichtert durch die Protonierung an Lys216-Nz), wodurch die sterischen Hinderungen rückgängig gemacht werden. Der Grundzustand bR₅₆₈ mit einer wieder linearen Polyenkette im Retinal wird erst erreicht, wenn Asp85 ein Proton an die Wasserstoffbrücken-Kette zur Oberfläche des Proteins abgegeben hat.

Literatur:
N Grigorieff et al, Electron-crystallographic refinement of the structure of bacteriorhodopsin, J. Mol. Biol. 259 (1996) 393-421
H Luecke et al, Proton transfer pathways in bacteriorhodopsin at 2.3 Å resolution, Science 280 (1998) 1934-1937
JK Lanyi, Understanding structure and function in the light-driven proton pump bacteriorhodopsin, J. Struct. Biol. 124 (1998) 164-178

Mehr über Archae-Rhodopsine in der englischen Version.

5-99 - Rolf Bergmann